Miguel Nicolelis : Un singe qui contrôle un robot avec sa pensée. Oui, c'est vrai.

Peut-on utiliser notre cerveau pour contrôler directement des machines -- sans avoir besoin d'un corps pour faire l'intermédiaire ? Miguel Nicolelis présente une expérience étonnante, par laquelle un singe intelligent situé aux États-Unis apprend à contrôler un singe avatar, puis un bras-robot situé au Japon, uniquement à l'aide de sa pensée. Cette recherche a de vastes implications pour les quadraplégiques -- et peut-être pour nous tous. (Filmé à TEDMED 2012.)

Le genre de neurosciences à laquelle
mes collègues et moi nous nous consacrons,

est presque comme le présentateur de la météo.

On est à la recherche d'orages
en permanence.

On veut voir et mesurer des orages -- c'est-à-dire des orages de cerveau -- ou brainstorm.

Et on parle tous de brainstorming

au quotidien, mais on en voit
ou en écoute rarement un.

Alors j'aime bien commencer ces discours

en en présentant un.

En fait, la première fois qu'on a enregistré
plus d'un neurone --

une centaine de cellules cérébrales en même temps --

on a pu mesurer les étincelles électriques

d'une centaine de cellules dans le même animal,

voici la première image qu'on a obtenue,

les 10 premières secondes
de cet enregistrement.

Donc on a obtenu un petit fragment de pensée,

qu'on pouvait voir devant nos yeux.

Je dis tout le temps aux étudiants

qu'on pourrait aussi appeler les neuro-scientifiques des astronomes d'une certaine sorte,

parce qu'on a affaire à un système

qui est uniquement comparable
en termes de nombre de cellules

au nombre de galaxies dans l'univers.

Et nous y voilà, enregistrant il y a 10 ans

une centaine de neurones
sur les milliards qui existent.

Maintenant, on en enregistre un millier.

Et on espère comprendre quelque chose
de fondamental sur notre nature humaine.

Parce que, au cas où vous ne le sauriez pas déjà,

tout ce qu'on utilise pour définir ce qu'est
la nature humaine vient de ces orages,

de ces orages qui éclatent sur les collines
et les vallées de nos cerveaux

et définissent nos souvenirs, nos croyances,

nos sentiments, nos plans pour le futur.

Tout ce qu'on a fait jusqu'ici,

tout ce que chaque être humain a fait, fait ou fera,

nécessite le dur labeur de populations entières de neurones qui produisent ce genre d'orages.

Et le son d'un orage de cerveau, au cas où
vous n'en avez jamais entendu un,

ça ressemble à ça.

On peut monter le son si vous voulez.

Mon fils appelle ça "faire du popcorn en écoutant une station de radio grandes ondes mal réglée."

Ceci est un cerveau.

Voici ce qui arrive quand on branche
ces orages électriques à des enceintes

et qu'on écoute une centaine de cellules
du cerveau s'activer,

votre cerveau va faire ce genre de bruit
-- mon cerveau, n'importe quel cerveau.

Et nous, neuroscientifiques,
ce qu'on veut faire à cet instant,

c'est écouter ces symphonies,
ces symphonies de cerveau,

et essayer d'en extraire
les messages qu'elles contiennent.

En particulier, il y a environ 12 ans,

nous avons créé une préparation que nous avons appelée interfaces cerveau-machine.

Et voici un schéma qui montre
comment ça marche.

L'idée c'est d'avoir des senseurs qui écoutent
ces orages, ces incendies électriques,

et voir si on peut, pendant le temps
que ça prend

à cet orage pour quitter le cerveau
et atteindre les jambes ou les bras d'un animal

-- environ une demi-seconde --

voir si on peut lire ces signaux,

extraire les messages moteurs
qui y sont intégrés,

les traduire en commandes digitales

et les envoyer à un équipement artificiel

qui reproduira la roue motrice volontaire
de ce cerveau en temps réel.

Et voir si on peut mesurer la qualité
de la traduction de ce message

en le comparant à la manière
dont le corps se comporte.

Et si on arrive à fournir un retour,

des signaux sensoriels qui vont de cet
équipement informatique, robotique, mécanique

qui est maintenant
sous l'emprise du cerveau,

vers le cerveau,

comment le cerveau se comporte,

quand il reçoit des messages
d'une machine artificielle.

Et c'est exactement
ce qu'on a fait il y a 10 ans.

On a commencé avec un singe superstar
qui s'appelle Aurora

et qui est devenu
une des superstars dans ce domaine.

Aurora aimait jouer aux jeux vidéo.

Comme vous pouvez le voir ici,

elle aime utiliser un joystick, comme nous tous, comme tous nos enfants, pour jouer à ce jeu.

Et en bon primate, elle essaie même
de tricher avant d'obtenir la bonne réponse.

Alors, avant même que n'apparaisse une cible qu'elle est censée marquer d'une croix

à l'aide du curseur qu'elle contrôle avec le joystick,

Aurora essaie de trouver la cible,
peu importe où elle est.

Et si elle fait ça,

c'est parce que chaque fois qu'elle marque
d'une croix cette cible avec le curseur,

on lui donne une goutte
de jus d'orange du Brésil.

Et je peux vous dire que n'importe quel singe
fait tout ce que vous voulez

tant que vous lui donnez une goutte
de jus d'orange du Brésil.

En fait, c'est vrai pour n'importe quel primate.

Pensez-y.

Alors pendant qu'Aurora jouait à ce jeu,
comme vous venez de le voir,

faisant un millier de tentatives par jour

et obtenant 97% de réponses correctes
et 350 millilitres de jus d'orange,

on enregistrait les orages de cerveau
qui se produisaient dans sa tête

et on les envoyait à un bras robotique

qui apprenait à reproduire
les mouvements d'Aurora.

Parce que l'idée était en fait de faire fonctionner
cette interface entre le cerveau et la machine

afin qu'Aurora puisse jouer
en ne faisant que penser,

sans interférence avec son corps.

Ses orages de cerveau contrôleraient un bras

qui ferait bouger le curseur et
marquerait la cible d'une croix.

Et à notre grande surprise,
c'est exactement ce qu'Aurora a fait.

Elle a joué à ce jeu
sans bouger son corps.

Alors la trajectoire du curseur
que vous voyez maintenant,

est exactement le premier mouvement
qu'elle a fait.

C'est l'instant même

où l'intention du cerveau a été libérée
du domaine physique du corps d'un primate

et a pu agir à l'extérieur,
dans ce monde extérieur,

en contrôlant simplement
un équipement artificiel.

Et Aurora a continué à jouer,
a continué à trouver la petite cible

et a continué à obtenir le jus d'orange
qu'elle souhaitait, auquel elle aspirait.

Elle a continué parce qu'à ce moment-là,
elle avait un nouveau bras.

Le bras robotique que vous voyez
bouger ici 30 jours plus tard,

après la première vidéo
que je vous ai montrée,

et sous le contrôle du cerveau d'Aurora

et qui déplace le curseur
pour atteindre la cible.

Aurora sait maintenant qu'elle peut jouer
à ce jeu en utilisant ce bras robotique,

mais elle n'a pas pour autant perdu
sa capacité à utiliser son bras biologique
pour faire ce qui lui plaît.

Elle peut se gratter le dos, elle peut gratter
l'un d'entre-nous, et peut jouer à un autre jeu.

À toute fin utile et par tous les moyens,

le cerveau d'Aurora s'est approprié
cet équipement artificiel

comme une extension de son corps.

La perception qu'Aurora
avait d'elle-même à l'esprit

s'est trouvée modifiée par l'addition
d'un bras supplémentaire.

Eh bien, on a fait ça il y a 10 ans.

Nous allons avancer de 10 ans.

L'année dernière, on a réalisé qu'on n'a
même pas besoin d'un équipement robotique.

Il suffit de créer un corps virtuel,
un avatar, un singe avatar.

Et en fait on peut l'utiliser
soit pour interagir avec nos singes

soit pour les entraîner à s'approprier,
dans un monde virtuel,

la perspective de cet avatar lui-même

et utiliser leur activité cérébrale pour contrôler
le mouvement des bras ou des jambes de l'avatar.

En gros ce qu'on a fait,
c'est entraîner les animaux

à apprendre comment contrôler ces avatars

et examiner des objets qui apparaissent
dans le monde virtuel.

Et ces objets sont visuellement identiques

mais quand l'avatar touche
la surface de ces objets,

ils envoient un message électrique qui est proportionnel à la texture micro tactile de l'objet

qui est envoyé directement
au cerveau du singe,

informant ainsi le cerveau
de ce que l'avatar touche.

Et en seulement quatre semaines, le cerveau apprend à incorporer cette nouvelle sensation

et acquiert un nouveau chemin sensoriel
-- comme un nouveau sens.

À ce stade, on libère réellement le cerveau

parce qu'on lui permet d'envoyer des commandes motrices afin de déplacer cet avatar.

Et le feedback qui vient de l'avatar
est traité directement par le cerveau

sans interférence de la peau.

Ce que vous voyez ici,
c'est la conception de la tâche.

Vous allez voir un animal qui touche
tout simplement ces trois cibles.

Et il doit en sélectionner une car seule l'une
d'entre elles donne droit à une récompense,

le jus d'orange qu'il veut obtenir.

Et il doit la sélectionner en utilisant
un bras virtuel, un bras qui n'existe pas.

Et c'est exactement ce qu'il fait.

C'est une libération totale du cerveau

des contraintes physiques du corps
et de la motricité pour une tâche conceptuelle.

L'animal contrôle l'avatar
pour atteindre les cibles.

Et il ressent la texture grâce à la réception d'un message électrique directement dans le cerveau.

Et le cerveau décide quelle texture
associer à la récompense.

Le singe ne voit pas la légende
que vous voyez dans la vidéo.

Et de toute façon, les singes ne parlent pas anglais,

donc elle est là uniquement pour que vous
sachiez que la bonne cible change de position.

Et ils arrivent à la trouver
grâce à la reconnaissance tactile,

et ils arrivent à appuyer sur la cible
et à la sélectionner.

Alors quand on regarde
le cerveau de ces animaux,

sur le panneau du haut, on voit
l'alignement de 125 cellules

qui exposent l'activité cérébrale,
les orages électriques,

de cet échantillon de neurones du cerveau

quand l'animal utilise un joystick.

Et c'est une photo
que tout neurophysiologue connaît.

L'alignement basique montre que ces cellules
ont un code pour toutes les directions possibles.

La photo du bas montre ce qui se passe
quand le corps est immobile

et que l'animal commence à contrôler soit
un appareil robotique, soit un avatar informatique.

Aussi vite qu'on arrive
à redémarrer nos ordinateurs,

l'activité cérébrale se modifie
pour représenter ce nouvel outil,

comme s'il faisait partie intégrante
du corps du primate.

Le cerveau assimile ça aussi,
aussi vite qu'on arrive à le mesurer.

Donc cela suggère que la perception
que nous avons de nous-mêmes

ne s'arrête pas à la dernière couche
d'épithélium de notre corps,

elle prend fin avec la dernière couche d'électrons des outils que nous contrôlons avec notre cerveau.

Nos violons, nos voitures, nos vélos,
nos ballons de football, nos vêtements --

tous sont assimilés par cet incroyable et vorace système dynamique qu'on appelle le cerveau.

Jusqu'où peut-on aller ?

Eh bien, lors d'une expérience que
nous avons menée il y a quelques années,
on est allé jusqu'au bout.

Un animal courait sur un tapis de course

à l'Université de Duke
sur la côte Est des États-Unis,

et produisait les orages de cerveau
nécessaires au mouvement.

Et on avait disposé un appareil robotique,
un robot humanoïde,

à Kyoto, au Japon,
dans les laboratoires ATR

qui rêvait depuis toujours
d'être contrôlé par un cerveau,

un cerveau humain,
ou un cerveau de primate.

Et ce qui s'est passé, c'est qu'on a transmis
au Japon l'activité cérébrale

qui générait les mouvements du singe
et on a fait marcher le robot,

et on a renvoyé à Duke les images
de cette marche,

afin que le singe puisse voir les jambes
de ce robot marcher face à elle.

Ainsi elle pouvait être récompensée,
non pas pour ce que son corps faisait

mais pour chaque pas correct du robot
à l'autre bout de la planète,

contrôlé à l'aide son activité cérébrale.

Ce qui est amusant, c'est que cet aller-retour
d'un point à l'autre du globe a pris
20 millisecondes de moins

que le temps nécessaire à l'orage de cerveau
pour quitter la tête, la tête du singe,

et atteindre son propre muscle.

Le singe déplaçait un robot qui était six fois
plus gros, à l'autre bout de la planète.

C'est l'une des expériences durant laquelle
ce robot a réussi à marcher de manière autonome,

Il s'agit de CB1 accomplissant
son rêve au Japon

sous le contrôle de l'activité cérébrale
d'un primate.

Mais que va-t-on faire de tout ça ?

Que va-t-on faire grâce à cette recherche,

si ce n'est étudier les propriétés de cet univers dynamique qui est entre nos oreilles ?

Eh bien l'idée, grâce à ce savoir
et cette technologie

c'est d'essayer de résoudre un des problèmes neurologiques les plus graves qui existent.

Des millions de personnes perdent leur capacité
à traduire ces orages de cerveau

en action, en mouvement.

Bien que leur cerveau continue à produire
ces orages et codes pour les mouvements,

ils n'arrivent pas à franchir la barrière
créée par une lésion à la moelle épinière.

Alors notre idée est
de créer un détour,

d'utiliser ces interfaces cerveau-machine
pour lire ces signaux,

des orages de cerveau à grande échelle qui contiennent le désir de bouger à nouveau,

de contourner la lésion en utilisant
un micro-procédé informatique

et de l'envoyer à un corps nouveau,
un corps entier appelé exosquelette,

un costume robotique entier qui deviendra
le nouveau corps de ces patients.

Et vous voyez une image
produite par ce consortium.

Il s'agit d'un consortium sans but lucratif,
appelé le Projet Marcher à Nouveau,

qui rassemble des scientifiques d'Europe,

d'ici aux États-Unis et du Brésil

pour travailler à la réalisation
effective de ce nouveau corps --

un corps qui selon nous,
grâce aux mêmes mécanismes de plastique

qui permettent à Aurora et à d'autres singes d'utiliser ces outils à l'aide d'une
interface cerveau-machine,

permette d'incorporer les outils que nous fabriquons et utilisons dans notre vie courante.

Nous espérons que ce même mécanisme
permettra à ces patients

non seulement d'imaginer à nouveau
les mouvements qu'ils souhaitent faire

et les traduire en mouvements
de ce nouveau corps,

mais aussi d'assimiler ce nouveau corps contrôlé par le cerveau comme étant leur propre corps.

Alors on m'a dit il y a environ 10 ans

que ça n'arriverait jamais,
que c'était quasiment impossible.

Et je ne peux que vous dire
en tant que scientifique,

que j'ai grandi dans la partie Sud
du Brésil au milieu des années 60

et je regardais quelques fous
qui nous disaient qu'ils iraient sur la lune.

J'avais alors cinq ans,

et je n'ai jamais compris pourquoi la NASA n'a pas engagé le Capitaine Kirk et Spock pour faire ça ;

après tout, ils étaient des experts --

mais le fait d'avoir vu ça
quand j'étais enfant

m'a porté à croire,
comme ma grand-mère me disait,

que « ce qui est impossible est tout
simplement quelque chose de possible

sans que quelqu'un n'aie fait l'effort
suffisant pour que ça se réalise. »

Donc, on m'a dit que c'est impossible
de faire marcher quelqu'un.

Je pense que je vais suivre
le conseil de ma grand-mère.

Merci.

(Applaudissements)